Πρότυπες απαντήσεις σε ερωτήσεις που έχουν δοθεί για σκέψη και απάντηση

Πρότυπες απαντήσεις σε ερωτήσεις που έχουν δοθεί για σκέψη και απάντηση ΓΕΝΙΚΑ Πριν από κάθε απάντηση, προηγείται η καλή ανάγνωση και η προσπάθεια κατανόησης της ερώτησης. Η κάθε απάντηση πρέπει να σχετίζεται µε την ακριβή διατύπωση της ερώτησης και όχι µε την γενική της ιδέα. Κάθε απάντηση πρέπει να είναι ακριβής, γιατί τότε θεωρείται ορθή και πρέπει επίσης να πείθει αυτόν που θα την διαβάσει, πως αυτός που την έγραψε είχε πλήρη κατανόηση του θέµατος και η απάντησή του δεν είναι τυχαία. Η απάντηση λοιπόν περιλαµβάνει όλα τα στοιχεία που θα πείσουν τον εξεταστή ότι ο εξεταζόµενος κατέχει το συγκεκριµένο θέµα. 1. Περιγράψτε τον τρόπο µε τον οποίο µπορείτε να διακρίνετε αν το περιεχόµενο ενός δοχείου είναι: α) H 2 O ή CCl 4 β) KOH ή HNO 3 γ) βρωµιούχο ύδωρ ή χλωριούχο ύδωρ δ) KMnO 4 ή [CoCl 4 ] 2 ε) Mg ή Ag Για την ερώτηση αυτή, θα πρέπει να θυµηθούµε τις εργαστηριακές διαδικασίες που πραγµατοποιήθηκαν καθώς και τις ιδιότητες των διαφόρων ενώσεων, τις οποίες παρατηρήσαµε κατά τις διαδικασίες αυτές. Ακόµη, η ερώτηση αναφέρεται στην ύπαρξη ενός χηµικού είδους στο δοχείο, για το οποίο δεν είµαστε σίγουροι ποιο είναι, όχι στην συνύπαρξη και των δύο ειδών κάθε ζεύγους, ώστε δεν πρόκειται για διαδικασία διαχωρισµού των δύο, αλλά «ανάλυσης» για το ποιο από τα δύο περιέχεται στο δοχείο. α) Το νερό και ο τετραχλωράνθρακας δεν αναµιγνύονται (όπως είδαµε στο πείραµα της οξειδοαναγωγής και συγκεκριµένα στην µελέτη της σχετικής οξειδωτικής ικανότητας των αλογόνων). Άρα η προσθήκη µιας µικρής ποσότητας νερού στο δοχείο θα δείξει αν αυτό περιέχει νερό ή τετραχλωράνθρακα. Στην πρώτη περίπτωση τα δύο υγρά θα αναµιχθούν ενώ στην δεύτερη θα σχηµατισθούν δύο στοιβάδες µε αυτήν του τετραχλωράνθρακα να βρίσκεται χαµηλότερα επειδή έχει µεγαλύτερη πυκνότητα. Η διάκριση µπορεί να γίνει προσθέτοντας σε ένα δοκιµαστικό σωλήνα που περιέχει µικρή ποσότητα στερεού ιωδίου λίγες σταγόνες από το υγρό. Αν αυτό είναι νερό το διάλυµα θα χρωµατισθεί καστανό, ενώ αν είναι τετραχλωράνθρακας θα χρωµατισθεί ιώδες (δεν ρίχνουµε το ιώδιο στο δοχείο γιατί τότε το περιεχόµενό του θα αλλοιωθεί ανεπανόρθωτα, υποτίθεται ότι ενδιαφερόµαστε να µάθουµε τι έχει το δοχείο για να το χρησιµοποιήσουµε, όχι για να το καταστρέψουµε). β) Είναι προφανές ότι πρόκειται για την διάκριση δύο υδατικών διαλυµάτων που το ένα είναι όξινο και το άλλο βασικό. Προφανώς, η µέτρηση του ph του διαλύµατος θα δώσει την απάντηση, ενώ ακόµη και σε δοκιµαστικό σωλήνα µπορεί να προστεθούν λίγες σταγόνες διαλύµατος και 12 σταγόνες δείκτη φαινολοφθαλεϊνης, αν αυτή χρωµατισθεί ερυθρή τότε έχουµε αλκαλικό διάλυµα, αν όχι, έχουµε όξινο διάλυµα. γ) Πρόκειται για διαλύµατα χλωρίου ή βρωµίου σε νερό. Επειδή τα αλογόνα ως µη πολικά µόρια διαλύονται κατά προτίµηση σε µη πολικούς διαλύτες, η προσθήκη 12 ml του διαλύµατος σε µικρή ποσότητα τετραχλωράνθρακα και η ισχυρή ανάδευση του µείγµατος θα δώσουν ένα σύστηµα µε δύο στοιβάδες. Στην κάτω στοιβάδα όπου βρίσκεται ο τετραχλωράνθρακας θα παρατηρηθεί το χαρακτηριστικό χρώµα του αλογόνου που βρίσκεται διαλυµένο σ αυτόν, δηλαδή χλωρό (ανοικτό πράσινο) για το χλώριο ή καστανό για το βρώµιο. δ) Είναι εµφανής η διαφορά στο χρώµα των δύο ενώσεων. Το υπερµαγγανικό κάλιο έχει έντονο ιώδες χρώµα ενώ το χλωρο σύµπλοκο του κοβαλτίου έντονο κυανό. Ακόµη, το υπερµαγγανικό κάλιο εµφανίζει χαρακτηριστική οξειδοαναγωγική δράση σε όξινο περιβάλλον, κατά την οποία αποχρωµατίζεται. Συνεπώς αν σε δοκιµαστικό σωλήνα τοποθετηθεί µικρή ποσότητα διαλύµατος θειώδους νατρίου και προστεθούν 12 ml του άγνωστου διαλύµατος, τότε στην περίπτωση που αυτό είναι υπερµαγγανικό κάλιο, θα αποχρωµατισθεί. 1

ε) Πρέπει να χρησιµοποιήσουµε την σχετική θέση των δύο µετάλλων στην σειρά αναγωγικής ικανότητας των µετάλλων. Το µαγνήσιο είναι πολύ αναγωγικό ενώ ο άργυρος πολύ λίγο αναγωγικός. Σηµαντικό είναι ότι το Η βρίσκεται µεταξύ τους. Αυτό σηµαίνει ότι αν σε σωλήνα που περιέχει αραιό υδροχλωρικό οξύ, προσθέσουµε ένα µεταλλικό έλασµα, τότε αναµένεται έντονη αντίδραση και έκλυση υδρογόνου αν το µέταλλο είναι µαγνήσιο ενώ αν είναι άργυρος δεν αναµένεται καµία αντίδραση. 2 Τι ph αναµένεται να εµφανίσει διάλυµα το οποίο προκύπτει από την ανάµιξη 50 ml διαλύµατος CH 3 COOH 0,1 M και 30 ml διαλύµατος CH 3 COONa 0,5 Μ. ίνεται pk a CH 3 COOH= 4,75 Πρόκειται για την δηµιουργία ενός ρυθµιστικού διαλύµατος αφού υπάρχουν σ αυτό ένα ασθενές οξύ (δίνεται η σταθερά ιοντισµού του) καθώς και άλατός του. Η διάσταση του οξέος περιγράφεται από την αντίδραση CH 3 COOH + Η 2 Ο CH 3 COO + Η 3 Ο + Εάν στο διάλυµα αυτό υποτεθεί ότι προστίθεται και άλας του οξέος, αυτό ως ισχυρός ηλεκτρολύτης διίσταται πλήρως και κατά συνέπεια αυξάνει πολύ την συγκέντρωση των ιόντων CH 3 COO, οδηγώντας την θέση ισορροπίας της διάστασης του οξέος, προς τα αριστερά. Κατά συνέπεια, µπορεί να υποτεθεί ότι στο τελικό διάλυµα, η συγκέντρωση των ιόντων CH 3 COO ταυτίζεται περίπου µε την συγκέντρωση του άλατος ενώ η συγκέντρωση µορίων CH 3 COOH ταυτίζεται περίπου µε την συγκέντρωση του οξέος στο τελικό αυτό διάλυµα. Η σταθερά ισορροπίας της αντίδρασης παίρνει την µορφή + H3O CH3COO CH + 3COO K= = H3O CH COOH CH COOH [ ] [ ] 3 3 [ CH COOH] CH + 3COO 3 log K = log H3O log pk = ph + log [ CH3COOH] CH3COO Cοξ pk = ph + log Cαλ Στο σηµείο αυτό πρέπει να υπολογισθούν οι συγκεντρώσεις του οξέος και του άλατος στο τελικό διάλυµα. Αφού τα δύο αρχικά διαλύµατα περιγράφονται µε όρους µοριακότητας ανά λίτρο, οι ποσότητές τους εκφράζονται σε mol. Έτσι, στο τελικό διάλυµα περιέχονται 1 4 3 50 x x 0,1=50 x 10 = 5 x 10 mol CH3COOH 1000 1 3 30 x x 0,5=15 x 10 mol CH3COONa 1000 Οι ποσότητες αυτές περιέχονται στο τελικό διάλυµα που έχει όγκο (προφανώς) ίσο µε 30+50= 80 ml, άρα οι συγκεντρώσεις του οξέος και του άλατος είναι, στο τελικό διάλυµα, ίσες µε 3 5x10 5 4 CH 3COOH = = x10 M [ ] 3 15x10 15 4 CH 3COONa = = x10 M [ ] 80 8 80 8 Στην εξίσωση Henderson Hasselbach η οποία αποδείχθηκε προηγουµένως και η οποία ισχύει για όλα τα ρυθµιστικά διαλύµατα που προκύπτουν από ασθενές οξύ και άλας του, η αντικατάσταση των τιµών που είναι γνωστές δίνει 2

5 10 4 Cοξ Cοξ pk = ph + log ph = pk log = 4,75 log 8 = Cαλ Cαλ 15 4 10 8 5 1 = 4,75 log = 4,75 log = 4,75+ log 3= 4,75+ 0, 48= 5,23 15 3 Εννοείται ότι θα έχει δοθεί στην περιγραφή της άσκησης η τιµή του log 3, αν όχι, η διατύπωση θα περιέχει το log 3 όπου αυτό προβλέπεται να βρίσκεται. 3 Τα υδατικά διαλύµατα [CoCl 4 ] 2 και [Co(H 2 O) 6 ] 2+ βρίσκονται σε κατάσταση χηµικής ισορροπίας. Θέρµανση του συστήµατος µετατρέπει το χρώµα του συστήµατος από ιώδες σε κυανό. α) Συµπληρώστε την αντίδραση που πραγµατοποιείται. β) Προς ποια κατεύθυνση αυτή είναι εξώθερµη; γ) Ποια χηµικά είδη βρίσκονται στο διάλυµα στην θέση ισορροπίας; Το υδατικό διάλυµα [CoCl 4 ] 2 έχει έντονο κυανό χρώµα ενώ το διάλυµα [Co(H 2 O) 6 ] 2+ έχει ρόδινο χρώµα. Αφού το σύστηµα βρίσκεται σε κατάσταση χηµικής ισορροπίας και επειδή τα διαλύµατα είναι υδατικά, προφανώς στην ισορροπία περιλαµβάνονται και µόρια νερού. Επιπλέον, το χρώµα του διαλύµατος είναι ιώδες, κάτι το οποίο σηµαίνει ότι στο διάλυµα περιέχονται περίπου ίσες ποσότητες από τα δύο αυτά σύµπλοκα. Η αλληλεπίδραση του νερού µε το κυανό σύµπλοκο µπορεί να περιγραφεί ως εξής [CoCl 4 ] 2 + 6 Η 2 Ο [Co(H 2 O) 6 ] 2+ + 4 Cl Στην θέση ισορροπίας του συστήµατος προφανώς συνυπάρχουν µόρια νερού, αφού πρόκειται για υδατικά διαλύµατα, ιόντα χλωρίου καθώς και τα δύο έγχρωµα σύµπλοκα. Επειδή η θέρµανση του συστήµατος µετατρέπει το χρώµα του σε κυανό, συµπεραίνουµε ότι η θέση ισορροπίας µετατοπίσθηκε προς τα αριστερά. Με βάση την αρχή της φυγής προ της βίας του Le Chatelier, η θέρµανση ενός συστήµατος µετατοπίζει την ισορροπία προς την ενδόθερµη κατεύθυνση. Ακόµη, µε βάση τον γνωστό νόµο της θερµοχηµείας του Hess, µια αντίδραση που κατά την µία κατεύθυνση είναι ενδόθερµη, είναι εξώθερµη κατά την αντίθετη κατεύθυνση, άρα η παραπάνω αντίδραση, είναι εξώθερµη προς τα δεξιά. 4 Το υπερµαγγανικό κάλιο σε όξινο περιβάλλον είναι ισχυρό οξειδωτικό σώµα. Με ποιο τρόπο γίνεται µακροσκοπικά φανερή η οξειδωτική του δράση; Να δοθεί η αντίδραση της επίδρασης υπερµαγγανικού καλίου σε οξαλικό οξύ. Το υπερµαγγανικό κάλιο έχει σε υδατικό διάλυµα ένα έντονο ιώδες χρώµα. Σε όξινο περιβάλλον το υπερµαγγανικό κάλιο είναι οξειδωτικό σώµα επειδή περιέχει το µαγγάνιο σε υψηλή βαθµίδα οξείδωσης. Αφού το Κ απαντά στις ενώσεις του στην βαθµίδα οξείδωσης +1 (είναι στοιχείο της 1ης οµάδας του περιοδικού πίνακα) και αφού το Ο κατά κύριο λόγο βρίσκεται µε την µορφή 2 (εκτός των υπεροξειδίων), το Mn στο KMnO 4 πρέπει να θεωρηθεί ότι έχει βαθµίδα οξείδωσης +7 ώστε η ένωση να είναι ηλεκτρικώς ουδέτερη. Σε όξινο περιβάλλον, το KMnO 4 ανάγεται προς ενώσεις του δισθενούς µαγγανίου και συγκεκριµένα, παρουσία H 2 SO 4 προς MnSO 4. Οι ενώσεις του δισθενούς µαγγανίου µε απλά µόρια, όπως το θειικό διανιόν, είναι πολύ ασθενώς χρωµατισµένες, άρα το αποτέλεσµα της οξειδωτικής δράσης του KMnO 4 είναι ο αποχρωµατισµός του διαλύµατός του. Το οξαλικό οξύ περιέχει άτοµα C που έχουν σχηµατίσει έναν σ δεσµό µεταξύ τους καθώς και έναν απλό και έναν διπλό δεσµό µε δύο άτοµα οξυγόνου το καθένα. Κατ αναλογίαν προς τις ανόργανες ενώσεις, δεχόµαστε ότι στις οργανικές ενώσεις όπου οι δεσµοί είναι οµοιοπολικοί, τα δύο ηλεκτρόνια κάθε δεσµού µεταφέρονται πλήρως προς το πιο ηλεκτραρνητικό άτοµο του δεσµού. Επειδή το Ο είναι δεξιότερα του C στην ίδια περίοδο, είναι προφανώς πιο ηλεκτραρνητικό, άρα στο οξαλικό οξύ, ο C τυπικά έχει «χάσει» τρία ηλεκτρόνια σχηµατίζοντας δεσµούς µε τα άτοµα του Ο 3

και θεωρείται ότι βρίσκεται σε κατάσταση οξείδωσης +3. Ένωση του C µε Ο και κατάσταση οξείδωσης +4 για τον C είναι το CO 2. Συνεπώς, οι δύο ηµιαντιδράσεις που µπορεί να περιγράψουν το σύστηµα είναι οι εξής. KMnO 4 + H 2 SO 4 K 2 SO 4 + MnSO 4 (COOH) 2 2CO 2 Εάν η πρώτη αντίδραση γραφεί µε την ιοντική της µορφή τότε έχουµε MnO 4 + H + Mn 2+ (COOH) 2 2CO 2 Εξισορρόπηση των ατόµων Ο και Η στις δύο ηµιαντιδράσεις έχει το εξής αποτέλεσµα MnO 4 + 8 H + Mn 2+ + 4Η 2 Ο (COOH) 2 2CO 2 + 2Η + Εξισορρόπηση των ηλεκτρονίων σε κάθε ηµιαντίδραση οδηγεί στο εξής MnO 4 + 8 H + + 5 e Mn 2+ + 4Η 2 Ο (COOH) 2 2CO 2 + 2Η + + 2 e Ο συνδυασµός των δύο ηµιαντιδράσεων απαιτεί την εξισορρόπηση των ηλεκτρονίων µεταξύ τους, έτσι ώστε όσα εµφανίζονται στο πρώτο µέλος της µίας ηµιαντίδρασης να εµφανίζονται και στο δεύτερο µέλος της άλλης. Αυτό έχει ως αποτέλεσµα το εξής: 2 MnO 4 + 16 H + + 10 e 2 Mn 2+ + 8 Η 2 Ο 5 (COOH) 2 10 CO 2 + 10 Η + + 10 e Η άθροιση των δύο ηµιαντιδράσεων δίνει την συνολική αντίδραση στην ιοντική της µορφή, δηλαδή 5 (COOH) 2 + 2 MnO 4 + 16 H + + 10 e 10 CO 2 + 10 Η + + 2 Mn 2+ + 10 e + 8 Η 2 Ο και µετά τις απαραίτητες αναγωγές, 5 (COOH) 2 + 2 MnO 4 + 6 H + 10 CO 2 + 2 Mn 2+ + 8 Η 2 Ο Η ίδια αντίδραση µε την µοριακή της µορφή έχει ως εξής 5 (COOH) 2 + 2 ΚMnO 4 + 3 H 2 SO 4 10 CO 2 + 2 MnSO 4 + K 2 SO 4 + 8 Η 2 Ο Φυσικά, δεν είναι απαραίτητο να γίνει όλη αυτή η διαδικασία σε κάθε περίπτωση, απλώς την καταγράφουµε εδώ για να είναι κάτι που µπορείτε να «συνθέσετε» κάθε φορά την αντίστοιχη διαδικασί, ώστε να µην βρεθείτε να κάνετε άστοχες ενέργειες που δίνουν λανθασµένα αποτελέσµατα. 4

5 Είναι γνωστή η θέση, στην ηλεκτροχηµική σειρά, των µετάλλων Mg, Zn, Cu. Είναι ακόµη διαθέσιµα τα µέταλλα αυτά τόσο µε την µορφή ελασµάτων τους όσο και σε µορφή διαλυµάτων των χλωριούχων αλάτων τους. α) Να περιγραφεί η πειραµατική διαδικασία που θα δώσει στοιχεία για τη θέση του Fe στην παραπάνω σειρά, σε σχέση µε τα τρία αυτά µέταλλα. β) εδοµένου ότι είναι γνωστό πως η θέση του Fe είναι µεταξύ Mg και Zn να γραφούν συνοπτικά οι παρατηρήσεις που αναµένονται κατά την εκτέλεση του παραπάνω πειράµατος. Η ηλεκτροχηµική σειρά των µετάλλων είναι µια σειρά στην οποία αυτά ταξινοµούνται ανάλογα µε την αναγωγική τους ικανότητα. Το πιο αναγωγικό βρίσκεται στην αρχή και το λιγότερο αναγωγικό στο τέλος της σειράς αυτής. Η σειρά των τριών µετάλλων που δίνονται έχει ως εξής Mg > Zn > Cu. Προφανώς, η σειρά αυτή µπορεί να συµπληρωθεί µε τον σίδηρο µε έναν από τους ακόλουθους τρόπους Fe > Mg > Zn > Cu Mg > Fe > Zn > Cu Mg > Zn > Fe > Cu Mg > Zn > Cu > Fe Στην σειρά αυτή, το στοιχείο που βρίσκεται πιο αριστερά από κάποιο άλλο είναι πιο αναγωγικό, άρα οξειδώνεται πιο εύκολα και άρα µπορεί να «εκτοπίσει» το στοιχείο που βρίσκεται δεξιότερά του από τις ενώσεις όπου εκείνο απαντά. Αν διατίθεται λοιπόν διάλυµα τριχλωριούχου σιδήρου, τότε η διαδικασία εύρεσης της θέσης του στην παραπάνω σειρά είναι να χρησιµοποιηθούν τρεις δοκιµαστικοί σωλήνες όπου θα τοποθετηθεί µικρή ποσότητα του διαλύµατος αυτού και σε κάθε σωλήνα ένα µεταλλικό έλασµα από ένα από τα άλλα τρία µέταλλα. Στις περιπτώσεις όπου δεν θα παρατηρηθεί καµία µεταβολή στο έλασµα ή το διάλυµα, θα συµπεράνουµε ότι ο σίδηρος είναι πιο αναγωγικός από το συγκεκριµένο µέταλλο, ενώ το αντίθετο θα συµπεράνουµε αν πραγµατοποιηθεί κάποια µεταβολή (διάλυση του ελάσµατος ή καταβύθιση ιζήµατος). Εφόσον η ορθή σειρά των στοιχείων είναι η Mg > Fe > Zn > Cu αυτό σηµαίνει ότι στους σωλήνες που προστέθηκε έλασµα Zn ή Cu δεν πρόκειται να παρατηρηθεί καµία µεταβολή ενώ θα παρατηρηθεί σχηµατισµός ιζήµατος στην περίπτωση που προστέθηκε έλασµα Mg. 6 ιάλυµα ασθενούς οξέος συγκέντρωσης 1Μ µετρήθηκε και έδωσε τιµή ph ίση µε 3. Να προσδιορισθεί, κατά προσέγγιση η σταθερά διαστάσεως του οξέος. Τι συγκέντρωση θα είχε διάλυµα HCl που θα εµφάνιζε το ίδιο ph; Πόσα g ανά L από HCl περιέχονται στο διάλυµα αυτό; Η διάσταση του οξέος µπορεί να περιγραφεί µε την ακόλουθη απλή αντίδραση ΗΑ + Η 2 Ο Η 3 Ο + + Α για την οποία η σταθερά Κ της ισορροπίας της, που είναι ταυτόχρονα και η σταθερά διαστάσεως του οξέος, υπολογίζεται ως + H3O A K = HA [ ] Εάν θεωρηθεί ότι το διάλυµα που χρησιµοποιείται εµπίπτει στα σχετικώς αραιά, τότε ισχύουν όλες οι προσεγγίσεις που χρησιµοποιούνται συνήθως και κυρίως αυτή όπου η συγκέντρωση των ανιόντων Α και των οξωνίων προσδιορίζεται ως αc όπου C η υποτιθέµενη µοριακή συγκέντρωση του οξέος στο διάλυµα (θεωρούµενου ότι δεν πραγµατοποιείται καµία αντίδραση ή διάστασή του) και α ο βαθµός διαστάσεώς του, για τον οποίο ισχύει 0 < α < 1. Αφού στο σηµείο αυτό το ph του διαλύµατος µετρήθηκε και βρέθηκε ίσο µε 3, προφανώς [H 3 O + ] = 1. 10 3 M. Εφόσον η µοριακή συγκέντρωση του οξέος είναι 1 Μ, προκύπτει ότι αc = α x 1 = 1. 10 3 δηλαδή α= 1. 10 3 5

Εφόσον κατά την διάσταση του οξέος για κάθε οξώνιο προκύπτει και ένα ανιόν Α, η συγκέντρωση και των ιόντων αυτών θα είναι ίση µε 1. 10 3 M ενώ η εναποµένουσα συγκέντρωση µορίων ΗΑ θα πρέπει να είναι ίση προς 1 1. 10 3 Μ = 0,999 Μ. Συνεπώς [ ] ( )( ) H O A 1x10 1x10 1x10 K a = = = 1x10 HA 0,999 0,999 + 3 3 6 3 6 Ένα διάλυµα HCl που θα είχε ph ίσο µε 3, σηµαίνει ότι θα εµφάνιζε συγκέντρωση [H 3 O + ] = 1. 10 3 M επίσης. Επειδή το HCl είναι ισχυρό οξύ, η διάστασή του είναι πλήρης, κατά συνέπεια το διάλυµά του αυτό θα έχει συγκέντρωση οξέος ίση µε 1. 10 3 M. Στο διάλυµα αυτό θα περιέχονται λοιπόν 1. 10 3 mol HCl ανά λίτρο. Το mol του HCl υπολογίζεται από το άθροισµα των ατοµικών βαρών των στοιχείων του και είναι ίσο προς 1 + 35,5 = 36,5 g. Συνεπώς στο διάλυµα αυτό θα περιέχονται 1. 10 3 x 36,5 = 36,5.10 3 ή 0,0365 g HCl. Αποτελέσµατα µέτρησης του ph διαλυµάτων ασθενούς οξέος ιάλυµα Molarity ph πειραµ. ph για πλήρη διάσταση βαθµός διάστασης pk οξέος Α 1,00 2,21 0,000 0,00617 4,42 Β 0,50 2,46 0,301 0,00693 4,62 Γ 0,10 2,78 1,000 0,01660 4,55 0,05 2,99 1,301 0,02046 4,67 Παρατηρήσεις: Οι µοριακότητες των διαλυµάτων είναι 1, 0,5, 0,1 και 0,05 και δίνονται µε σχετική ακρίβεια τριών δεκαδικών ψηφίων και να µην επηρεάσουν τις παραπέρα µετρήσεις. Οι θεωρητικές τιµές ph προκύπτουν από τη θεώρηση της διάστασης ισχυρού οξέος µοριακότητας όσης και το ασθενές οξύ. Οι ακριβείς τιµές είναι 0, 0,30103, 1 και 1,30103 αλλά κι αυτές δίνονται εδώ µε ακρίβεια τριών δεκαδικών ψηφίων, σε αναλογία µε τις µοριακότητες. Εφόσον έγινε η αρχική αυτή διευθέτηση δεν θα είχε έννοια να δοθεί, οποιοδήποτε αποτέλεσµα µε περισσότερα από τρία δεκαδικά ψηφία. Πράξεις: Εφόσον ph = log[h + ], το καθένα από τα µετρηµένα ή υπολογισµένα ph αντιστοιχεί σε µια συγκέντρωση, πραγµατική ή θεωρητική, κατιόντων υδρογόνου, που µπορεί να υπολογισθεί ως: [H + ]= 10 ph. Εφαρµογή της σχέσης αυτής στα αποτελέσµατα των δύο στηλών όπου έχει µετρηθεί και υπολογισθεί αντίστοιχα το ph, δίνει την πραγµατική και την θεωρητική (ίση µε την συνολική για ισχυρό οξύ) συγκέντρωση κατιόντων υδρογόνου. Είναι σαφές πως ο λόγος των δύο αυτών συγκεντρώσεων παριστάνει το λόγο της συγκέντρωσης των πραγµατικών Η + προς το σύνολο των µορίων του οξέος που έχουν διαλυθεί, δηλαδή παριστάνει τον βαθµό διαστάσεως α. α= 10 ph πειραµατικό ph θεωρητικό /10 Με βάση το νόµο της αραίωσης του Ostwald, ισχύει ότι η σταθερά διαστάσεως του οξέος υπολογίζεται από τη σχέση: K=α 2 C/(1α) Εφαρµογή της σχέσης αυτής και µε αντικατάσταση των τιµών για τα α που υπολογίζονται όπως προηγουµένως, δίνει τις τιµές Κ 3,83 x10 5, 2,42 x10 5, 2,80 x10 5 και 2,14x10 5 και. εφόσον pk= log K, οι αντίστοιχες τιµές pk του οξέος είναι αυτές που παρουσιάζονται στον πίνακα. Συµπεράσµατα: 6

Από την παρατήρηση της διακύµανσης των τιµών του βαθµού διαστάσεως προκύπτει ότι όσο αραιότερο γίνεται το διάλυµα τόσο ισχυρότερο γίνεται το οξύ, άρα θεωρητικά µπορεί κανείς να υπολογίσει ότι σε άπειρη αραίωση όλα τα οξέα συµπεριφέρονται ως ισχυρά. Από τη σειρά αυτών των µετρήσεων προκύπτει επίσης το συµπέρασµα ότι ο προσεγγιστικός τύπος της αραίωσης του Ostwald έχει εφαρµογή, εφόσον το διάλυµα του οξέος είναι σχετικά αραιό και το οξύ είναι σχετικά ασθενές. Από τις µετρήσεις που εκτελέσθηκαν προκύπτει επίσης το συµπέρασµα ότι σχετικώς απλά µπορεί να προσδιορισθεί, µε ικανοποιητική ακρίβεια το pk ασθενών οξέων, εφόσον τηρηθούν οι ακόλουθοι κανόνες εκτέλεσης του πειράµατος: Θερµοστάτιση του διαλύµατος ώστε η θερµοκρασία να είναι απόλυτα γνωστή και απόλυτα σταθερή, Ακριβής παρασκευή του αρχικού διαλύµατος και εξαιρετικά ακριβείς αραιώσεις του (µε τη χρήση ογκοµετρικών φιαλών και σιφωνίων πληρώσεως), σωστής και επαναλαµβανόµενης ρύθµισης των πεχαµέτρων και τήρησης των κανόνων ασφαλούς χρήσης τους. Αποτελέσµατα µελέτης ρυθµιστικών διαλυµάτων Οι µετρήσεις του ph των διαλυµάτων οξικού οξέος οξικού νατρίου που παρασκευάστηκαν έδωσαν τα εξής αποτελέσµατα. ιάλυµα Μοριακότητα Μοριακότητα ph ph µετά την ph µετά την οξέος άλατος αρχικό προσθήκη HCl προσθήκη NaOH 1o 0,02 0,08 4,93 2o 0,03 0,07 4,62 3o 0,05 0,05 4,31 4,18 4,47 4o 0,07 0,03 4,00 5o 0,08 0,02 3,72 Παρατηρήσεις: Οι µοριακότητες του οξέος και του άλατος στο κάθε τελικό διάλυµα υπολογίζονται µε βάση τις µοριακότητες των αρχικών διαθέσιµων διαλυµάτων καθώς και των όγκων των αρχικών διαλυµάτων που χρησιµοποιήθηκαν, θεωρώντας ότι κατά την ανάµιξη δεν σηµειώνεται καµµία µεταβολή του όγκου. Επειδή τα αρχικά διαλύµατα οξέος και άλατος έχουν την ίδια συγκέντρωση 0,1 Μ, οι λόγοι των όγκων µε τους οποίους αναµιγνύονται ταυτίζονται µε τους λόγους των συγκεντρώσεών τους στο τελικό διάλυµα. Ισχύουν οι σχέσεις C α.οξ V α.οξ = C οξ V οξ και C α.αλ V α.αλ = C αλ V αλ όπου το χαρακτηριστικό α. παριστάνει τις συγκεντρώσεις και τους όγκους των αρχικών διαλυµάτων, όπου οι όγκοι V οξ και V αλ είναι οι ίδιοι εφόσον το τελικό διάλυµα περιέχει τους δύο αρχικούς όγκους και είναι κοινό για τα δύο σώµατα. Ακόµη C α.οξ και C α.αλ είναι ίσες µε 0,1. Εφόσον στη σχέση των Henderson Haselbach αναφέρεται η αναλογία συγκεντρώσεων οξέος και άλατος στο τελικό ρυθµιστικό διάλυµα, Cα. αλv α. αλ C V C. V V αλ τελ ααλ = = = C C V C V V οξ αοξ. αοξ. V τελ α. αλ α. αλ α. οξ α. οξ α. οξ Φυσικά, καθεµιά από τις συγκεντρώσεις στο τελικό διάλυµα υπολογίζεται από τις παραπάνω εξισώσεις. Οι λόγοι των συγκεντρώσεων είναι 4, 2, 1, ½ και ¼ διαδοχικά και µε βάση τη σχέση HendersonHaselbach αυτό σηµαίνει ότι τα ph των διαλυµάτων θα µειώνονται ανά περίπου 0,3 µονάδες από το 1ο προς το 5ο, εφόσον log 2 = 0,301. Οι µετρήσεις που έγιναν φανερώνουν πολύ καλή προσέγγιση στην παραπάνω µεταβολή. 7

Cαλ C pka = ph log ph = pka+ log C C οξ Από τη σειρά των µετρήσεων αυτών µπορεί να υπολογισθεί έµµεσα το pk του οξέος ως ίσο προς το ph του διαλύµατος όπου υπάρχουν ίσες συγκεντρώσεις οξέος και άλατος. Αυτό είναι ίσο µε 4,31 ενώ ο µέσος όρος των τιµών που λαµβάνονται από την εφαρµογή της σχέσης σε καθένα από τα πέντε διαλύµατα είναι ίσος µε 4,32, πράγµα που δείχνει ότι οι µετρήσεις είχαν ικανοποιητική ακρίβεια και επαναληψιµότητα. Από τα ρυθµιστικά διαλύµατα που παρασκευάστηκαν, εκείνο που φαίνεται να έχει την ισχυρότερη ρυθµιστική δράση είναι το 3ο διάλυµα, επειδή η συνολική µεταβολή στο ph του µε την επίδραση οξέος και βάσεως είναι η µικρότερη απ όλα τα άλλα διαλύµατα. Απόδειξη της ρυθµιστικής δράσης του 3ου διαλύµατος. Επειδή το ph του διαλύµατος διαφοροποιείται µε την επίδραση οξέος και βάσεως, πρέπει ν αποδειχθεί ότι όντως αυτό λειτουργεί ως ρυθµιστικό. Έτσι, εξετάζεται η περίπτωση επίδρασης ίσης ποσότητας οξέος ή βάσεως σε ίση ποσότητα διαλύµατος, µε το αυτό ph, αλλά χωρίς ρυθµιστική δράση. Ο όγκος του 3ου διαλύµατος ήταν αρχικά ίσος µε 30+30 = 60 ml. Ο όγκος αυτός χωρίστηκε σε δύο ίσα µέρη, το καθένα από τα οποία είχε όγκο 30 ml και στο οποίο επέδρασε ποσότητα 5 ml 0,1N οξέος ή βάσεως αντίστοιχα. Το αρχικό διάλυµα είχε ph ίσο µε 4,31. α) Προσθήκη οξέος. Το ph του τελικού διαλύµατος θα πρέπει να υπολογισθεί ως εξής: η τελική συγκέντρωση των Η + C τ, θα είναι το άθροισµα των συγκεντρώσεων των δύο αρχικών διαλυµάτων δηλαδή, C τ V τ = C 1 V 1 + C 2 V 2. Ακόµη, C τ = C 1 + C 2. C τ = (C 1 V 1 + C 2 V 2 )/V τ. Αντικαθιστώντας τους αρχικούς όγκους 30 και 5, τον τελικό όγκο 35 και τις αρχικές συγκεντρώσεις 10 ph (ίσο µε 4,9x10 5 ) και 0,1, καταλήγουµε στο C τ = (30x4,9x10 5 + 5x0,1)/35 = (1,47x10 3 + 0,5)/35 = 1,43x10 2 που σηµαίνει ότι το τελικό διάλυµα θα είχε ph= 1,84. β) Προσθήκη βάσεως Η διαδικασία είναι ανάλογη, µόνο που στην περίπτωση αυτή πρέπει να υπολογισθεί το poh του αρχικού διαλύµατος, ίσο µε 144,31= 9,69, µε τη θεώρηση ότι οι µετρήσεις γίνονται στους 25 C, έτσι ώστε οι συγκεντρώσεις σε κάθε περίπτωση ν ανταποκρίνονται σε συγκεντρώσεις ανιόντων υδροξυλίου. Η τελική τιµή poh που υπολογίζεται από ανάλογη µε την παραπάνω διαδικασία είναι ίση µε 1,85, κατά συνέπεια το ph ενός τέτοιου διαλύµατος αναµένεται να είναι ίσο µε 141,85= 12,15. Παρατηρείται ότι το ρυθµιστικό διάλυµα που παρασκευάστηκε εµφανίζει πολύ µεγάλη αντίσταση στην επίδραση του εξωτερικού παράγοντα όσον αφορά τη µεταβολή του ph του και κατά συνέπεια είναι ρυθµιστικό διάλυµα. αλ οξ 8